CNC壓機(jī)無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

賈凡　焦帥帥

摘要：CNC壓機(jī)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)上采用先進(jìn)的智能數(shù)控技術(shù)，配備高精度閉環(huán)控制伺服液壓系統(tǒng)、可控模沖模架和智能機(jī)械手系統(tǒng)，建立集成各種精確測(cè)量傳感器、輔助設(shè)備的計(jì)算及控制中心，確保生產(chǎn)過程質(zhì)量精確控制，提高壓制產(chǎn)品的尺寸、形狀和位置精度，實(shí)現(xiàn)壓機(jī)系統(tǒng)和自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)的連通。

關(guān)鍵詞：CNC壓機(jī);傳感器;無線;網(wǎng)關(guān)

一、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)和功能

1 特點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的出口，它具有數(shù)據(jù)吞吐量大，計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力高的特點(diǎn)。另外，在通信距離方面，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍要比傳感器節(jié)點(diǎn)大得多，以保證數(shù)據(jù)能傳輸?shù)酵饩W(wǎng)的監(jiān)控中心。在采用無線網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心接口時(shí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率應(yīng)保證其與最近基站的通信。

2 功能。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有豐富的軟硬件資源。在完成協(xié)議轉(zhuǎn)換的同時(shí)，可以承擔(dān)組建和管理WSN網(wǎng)絡(luò)的許多工作。它具有如下主要功能：①掃描并選定數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硇诺溃峙鋀SN內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)地址，發(fā)送廣播同步幀，初始化WSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)置;②配合WSN網(wǎng)絡(luò)所采用的MAC算法和路由協(xié)議，協(xié)助其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成與鄰居節(jié)點(diǎn)連接建立路由;③完成不同網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換;④對(duì)從各傳感器節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)根據(jù)具體應(yīng)用需求和當(dāng)前帶寬，自適應(yīng)地啟動(dòng)數(shù)據(jù)融合算法，降低數(shù)據(jù)冗余度;⑤處理來自監(jiān)控中心的控制指令。

二、無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

1 無線傳感器網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)組成

CNC壓機(jī)系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本組成部分是由大量的節(jié)點(diǎn)和少數(shù)的網(wǎng)關(guān)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)壓機(jī)及外圍輔助設(shè)備工作過程中的數(shù)據(jù)的采集、處理及傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在所需測(cè)量的各個(gè)設(shè)備組件中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以采集數(shù)據(jù)，并采用自組多跳路由無線方式將信息傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一類特殊的節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)的作用主要負(fù)責(zé)在兩個(gè)不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換。傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺(tái)。

2 網(wǎng)關(guān)硬件模塊組成

無線傳感器網(wǎng)關(guān)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，一般由無線通信模塊、處理器模塊、傳感器模塊和電源模塊組成。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)有較強(qiáng)的信息處理能力和存儲(chǔ)能力，對(duì)目標(biāo)地點(diǎn)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的采集、處理，并把收集到的信息轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)具有串行接口，通過這些接口實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的連接。無線網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的通信模塊接收其他節(jié)點(diǎn)經(jīng)無線方式發(fā)射的數(shù)據(jù)，然后傳送給處理器作進(jìn)一步處理，數(shù)據(jù)在處理器單元得到處理后，經(jīng)過部分?jǐn)?shù)據(jù)的融合、轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)數(shù)據(jù)的管理、查詢等功能。數(shù)據(jù)處理完畢后，通過串行接口RS 232將數(shù)據(jù)傳送至壓機(jī)CNC控制中心或其他系統(tǒng)設(shè)備。

3 網(wǎng)關(guān)硬件的選型

無線通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊是網(wǎng)關(guān)的核心組成部分，對(duì)硬件的選型主要是對(duì)射頻芯片以及微處理器的選擇。射頻芯片的性能要滿足ZigBee協(xié)議對(duì)硬件的要求。對(duì)微處理器的選擇還要從器件的體積、功能、外部接口、存儲(chǔ)容量、速率、成本、功耗等各方面是否滿足壓機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際需要來進(jìn)行比較，對(duì)射頻芯片的選擇從器件的功能、能耗、封裝大小、應(yīng)用電壓等各方面來進(jìn)行考慮。

（1）微處理器選型。壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)在實(shí)際使用時(shí)采用TinyOS操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)境中，傳感器節(jié)點(diǎn)需要采集位移、壓力、電壓、流量、溫度等設(shè)備運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)信息，相應(yīng)地網(wǎng)關(guān)也需要轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的繁雜數(shù)據(jù)信息給上位機(jī)，同時(shí)為避免系統(tǒng)升級(jí)而更換硬件帶來的不便，節(jié)點(diǎn)預(yù)留了部分存儲(chǔ)空間。在綜合比較分析了各項(xiàng)指標(biāo)后，選擇了Atmel公司生產(chǎn)的ATMEGAL28L，它擁有更大的容量，功能眾多的I/O接口以及較低的價(jià)格，且6種低功耗睡眠模式滿足ZigBee協(xié)議對(duì)硬件的要求。

（2）射頻芯片選型。壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)采用ZigBee協(xié)議，因此對(duì)射頻芯片的選擇必須符合IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議。常見的有美國Ember公司的EM2420、ComXs公司的ML7065、挪威Chipcon公司的CC2420等。射頻芯片的選擇主要是從芯片功能、能耗、封裝大小、通信距離、芯片工作時(shí)所需外圍器件的多少，是否支持小電壓工作，睡眠電流以及資料是否詳實(shí)等各方面來進(jìn)行綜合考慮。通過綜合比較，選擇CC2420芯片作為網(wǎng)關(guān)的射頻芯片。

4 網(wǎng)關(guān)接入上位機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)在壓機(jī)系統(tǒng)實(shí)際工作的需要，設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)主要由數(shù)據(jù)處理、無線收發(fā)和電源三個(gè)單元組成。網(wǎng)關(guān)除了提供給傳感器節(jié)點(diǎn)接入Internet的接口、運(yùn)算、存儲(chǔ)、電源等基本的嵌入式系統(tǒng)模塊之外，它還需配備與傳感器節(jié)點(diǎn)配套的各個(gè)通信接口。

5無線傳感器網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現(xiàn)

（1）網(wǎng)關(guān)處理器電路圖設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)以ATMEGAL28L處理器為核心，同時(shí)配備了512 K Flash存儲(chǔ)器，支持外部中斷，有強(qiáng)大的同步屏步串行通信接口，支持SPI通信。射頻模塊采用Chipcon的CC2420實(shí)現(xiàn)，該芯片支持IEEE802.巧一物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，工作于2.4GHz頻段，最大數(shù)據(jù)達(dá)250b/s。采用RS232串行接口，配置MAX232電平轉(zhuǎn)換單元。

（2）電平轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)。ATMEGAL28L通過普通I/0口與PC機(jī)RS 232串口實(shí)現(xiàn)通信的硬件接口電路。由于PC系列微機(jī)串行口為RS 232標(biāo)準(zhǔn)接口，與輸入、輸出均采用TTL電平的ATMEGAL28L在接口規(guī)范上不一致，RS232信號(hào)的電平范圍為-12V～-5V，5V～12V，單片機(jī)串口信號(hào)為0V～3V，因此需要采用電平轉(zhuǎn)換器件。系統(tǒng)采用MAXIM公司的MAX232標(biāo)準(zhǔn)RS232接口芯片，該芯片可以用單電壓（+5V）實(shí)現(xiàn)RS 232接口邏輯“1”（-3V～-15V）和邏輯“0”（+3V～15V）的電平轉(zhuǎn)換。

三、結(jié)語

CNC壓機(jī)系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)關(guān)技術(shù)，把CNC壓機(jī)的各類傳感器數(shù)據(jù)和壓機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)連接，提高傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確性和便捷性，同時(shí)傳感器獲得數(shù)據(jù)通過無線的方式傳輸?shù)缴a(chǎn)線其他配套設(shè)備中，為生產(chǎn)線其他設(shè)備的平穩(wěn)、安全運(yùn)行提供了參考數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]孫紀(jì)敏，沈玉龍，孫玉，等.傳感器網(wǎng)絡(luò)接入Internet體系結(jié)構(gòu)和服務(wù)提供方法[J].通信學(xué)報(bào)，2008，29（4）;84-89